Zásady oto. Všeobecná relativita Je konzistentná? Zodpovedá fyzickej realite?

O tejto teórii sa hovorilo, že jej rozumejú len traja ľudia na svete, a keď sa matematici snažili číslami vyjadriť, čo z nej vyplýva, sám autor – Albert Einstein – zavtipkoval, že teraz jej prestal rozumieť.

Špeciálna a všeobecná relativita sú neoddeliteľnou súčasťou doktríny, na ktorej sú postavené moderné vedecké názory na štruktúru sveta.

"Rok zázrakov"

V roku 1905 Annalen der Physik (Annals of Physik), popredná nemecká vedecká publikácia, publikovala jeden po druhom štyri články 26-ročného Alberta Einsteina, ktorý pracoval ako skúšajúci 3. triedy - drobný referent Spolkového úradu pre Patentovanie vynálezov v Berne. S časopisom spolupracoval už predtým, no vydanie toľkých prác v jednom roku bolo mimoriadnou udalosťou. Bolo to ešte výraznejšie, keď sa vyjasnila hodnota myšlienok obsiahnutých v každej z nich.

V prvom z článkov boli vyjadrené myšlienky o kvantovej povahe svetla a zvažovali sa procesy absorpcie a uvoľňovania elektromagnetického žiarenia. Na tomto základe bol prvýkrát vysvetlený fotoelektrický efekt - emisia elektrónov hmotou, vyradená fotónmi svetla, boli navrhnuté vzorce na výpočet množstva uvoľnenej energie v tomto prípade. Práve za teoretický vývoj fotoelektrického javu, ktorý sa stal začiatkom kvantovej mechaniky, a nie za postuláty teórie relativity, dostane Einstein v roku 1922 Nobelovu cenu za fyziku.

V inom článku bol položený základ pre aplikované oblasti fyzikálnych štatistík na základe štúdia Brownovho pohybu najmenších častíc suspendovaných v kvapaline. Einstein navrhol metódy na hľadanie vzorcov fluktuácií – náhodných a náhodných odchýlok fyzikálnych veličín od ich najpravdepodobnejších hodnôt.

A nakoniec v článkoch „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ a „Závisí zotrvačnosť telesa od obsahu energie v ňom? obsahovala zárodky toho, čo bude v dejinách fyziky označené ako teória relativity Alberta Einsteina, respektíve jej prvá časť – SRT – špeciálna teória relativity.

Zdroje a predchodcovia

Na konci 19. storočia sa mnohým fyzikom zdalo, že väčšina globálnych problémov vesmíru bola vyriešená, hlavné objavy boli urobené a ľudstvo bude musieť nahromadené poznatky len využiť na silné zrýchlenie technologického pokroku. Len niektoré teoretické nezrovnalosti pokazili harmonický obraz Vesmíru naplneného éterom a žijúceho podľa nemenných newtonovských zákonov.

Harmóniu pokazil Maxwellov teoretický výskum. Jeho rovnice, ktoré popisovali interakcie elektromagnetických polí, boli v rozpore so všeobecne uznávanými zákonmi klasickej mechaniky. Týkalo sa to merania rýchlosti svetla v dynamických referenčných systémoch, kedy prestal fungovať Galileov princíp relativity – matematický model interakcie takýchto systémov pri pohybe rýchlosťou svetla viedol k zániku elektromagnetických vĺn.

Navyše éter, ktorý mal zosúladiť súčasnú existenciu častíc a vĺn, makro a mikrokozmos, nepodľahol detekcii. Experiment, ktorý v roku 1887 uskutočnili Albert Michelson a Edward Morley, bol zameraný na detekciu „éterického vetra“, ktorý musel byť nevyhnutne zaznamenaný jedinečným zariadením - interferometrom. Experiment trval celý rok - čas úplnej revolúcie Zeme okolo Slnka. Planéta sa musela pol roka pohybovať proti prúdu éteru, pol roka musel éter „fúkať do plachiet“ Zemi, no výsledok bol nulový: nedochádzalo k vytesňovaniu svetelných vĺn vplyvom éteru. nájdené, čo spochybňuje samotnú existenciu éteru.

Lorentz a Poincaré

Fyzici sa pokúsili nájsť vysvetlenie výsledkov experimentov na detekciu éteru. Hendrik Lorentz (1853-1928) navrhol svoj matematický model. Priviedla späť k životu éterickú výplň priestoru, ale len za veľmi podmieneného a umelého predpokladu, že pri pohybe éterom sa predmety môžu sťahovať v smere pohybu. Tento model dokončil veľký Henri Poincaré (1854-1912).

V prácach týchto dvoch vedcov sa po prvýkrát objavili koncepty, ktoré do značnej miery tvorili hlavné postuláty teórie relativity, a to neumožňuje utíšiť Einsteinove obvinenia z plagiátorstva. Patrí medzi ne podmienenosť konceptu simultánnosti, hypotéza nemennosti rýchlosti svetla. Poincaré priznal, že Newtonove zákony mechaniky vyžadujú prepracovanie pri vysokých rýchlostiach, urobil záver o relativite pohybu, ale v aplikácii na éterickú teóriu.

Špeciálna relativita - SRT

Problémy správneho popisu elektromagnetických procesov sa stali motiváciou pre výber témy pre teoretický vývoj a Einsteinove články publikované v roku 1905 obsahovali interpretáciu konkrétneho prípadu - rovnomerného a priamočiareho pohybu. V roku 1915 bola vytvorená všeobecná teória relativity, ktorá vysvetľovala interakcie a gravitačné interakcie, ale prvá bola teória, nazývaná špeciálna.

Einsteinovu špeciálnu teóriu relativity možno zhrnúť do dvoch základných postulátov. Prvý rozširuje účinok Galileovho princípu relativity na všetky fyzikálne javy, nielen na mechanické procesy. Vo všeobecnejšej forme hovorí: Všetky fyzikálne zákony sú rovnaké pre všetky inerciálne (pohybujúce sa rovnomerne priamočiaro alebo v pokoji) vzťažné sústavy.

Druhé tvrdenie, ktoré obsahuje špeciálnu teóriu relativity: rýchlosť šírenia svetla vo vákuu pre všetky inerciálne vzťažné sústavy je rovnaká. Ďalej sa robí globálnejší záver: rýchlosť svetla je maximálna hodnota prenosovej rýchlosti interakcií v prírode.

V matematických výpočtoch SRT sa uvádza vzorec E=mc², ktorý sa už predtým objavil vo fyzikálnych publikáciách, ale práve vďaka Einsteinovi sa stal najznámejším a najpopulárnejším v histórii vedy. Záver o ekvivalencii hmoty a energie je najrevolučnejším vzorcom teórie relativity. Koncepcia, že každý predmet s hmotnosťou obsahuje obrovské množstvo energie, sa stala základom rozvoja využívania jadrovej energie a predovšetkým viedla k objaveniu sa atómovej bomby.

Účinky špeciálnej teórie relativity

Zo SRT vyplýva niekoľko dôsledkov, ktoré sa nazývajú relativistické (relativistická angličtina - relativita) efekty. Dilatácia času je jednou z najvýraznejších. Jeho podstatou je, že v pohyblivom referenčnom rámci čas plynie pomalšie. Výpočty ukazujú, že na kozmickej lodi, ktorá vykonala hypotetický let do hviezdneho systému Alpha Centauri a späť rýchlosťou 0,95 c (c je rýchlosť svetla), uplynie 7,3 roka a na Zemi - 12 rokov. Takéto príklady sa často uvádzajú pri vysvetľovaní teórie relativity pre figuríny, ako aj súvisiaceho paradoxu dvojčiat.

Ďalším efektom je zmenšenie lineárnych rozmerov, to znamená, že z pohľadu pozorovateľa budú mať objekty pohybujúce sa voči nemu rýchlosťou blízkou c menšie lineárne rozmery v smere pohybu ako je ich vlastná dĺžka. Tento efekt predpovedaný relativistickou fyzikou sa nazýva Lorentzova kontrakcia.

Podľa zákonov relativistickej kinematiky je hmotnosť pohybujúceho sa objektu väčšia ako pokojová hmotnosť. Tento efekt sa stáva obzvlášť významným pri vývoji prístrojov na štúdium elementárnych častíc - je ťažké si predstaviť fungovanie LHC (Large Hadron Collider) bez toho, aby sme to vzali do úvahy.

vesmírny čas

Jednou z najdôležitejších súčastí SRT je grafické znázornenie relativistickej kinematiky, špeciálneho konceptu jedného časopriestoru, ktorý navrhol nemecký matematik Hermann Minkowski, ktorý bol svojho času učiteľom matematiky študenta Alberta. Einstein.

Podstata Minkowského modelu spočíva v úplne novom prístupe k určovaniu polohy interagujúcich objektov. Špeciálnu pozornosť venuje špeciálna teória relativity času. Čas sa stáva nielen štvrtou súradnicou klasického trojrozmerného súradnicového systému, čas nie je absolútnou hodnotou, ale neoddeliteľnou charakteristikou priestoru, ktorá má podobu časopriestorového kontinua, graficky vyjadreného ako kužeľ, v ktorom sú všetky prebiehajú interakcie.

Takýto priestor v teórii relativity s jeho vývojom do všeobecnejšieho charakteru bol neskôr podrobený ďalšiemu zakriveniu, čím sa takýto model stal vhodným aj na popis gravitačných interakcií.

Ďalší vývoj teórie

SRT nenašla hneď pochopenie medzi fyzikmi, no postupne sa stala hlavným nástrojom na opis sveta, najmä sveta elementárnych častíc, ktorý sa stal hlavným predmetom štúdia fyzikálnych vied. Úloha doplniť SRT o vysvetlenie gravitačných síl však bola veľmi dôležitá a Einstein neprestal pracovať a zdokonaľoval princípy všeobecnej teórie relativity - GR. Matematické spracovanie týchto princípov trvalo pomerne dlho - asi 11 rokov a podieľali sa na ňom odborníci z oblastí exaktných vied susediacich s fyzikou.

Obrovským prínosom tak bol popredný matematik tej doby David Hilbert (1862-1943), ktorý sa stal jedným zo spoluautorov rovníc gravitačného poľa. Boli posledným kameňom pri stavbe krásnej budovy, ktorá dostala názov - všeobecná teória relativity alebo GR.

Všeobecná relativita - GR

Moderná teória gravitačného poľa, teória štruktúry „časopriestoru“, geometria „časopriestoru“, zákon fyzikálnych interakcií v neinerciálnych vzťažných sústavách – to všetko sú rôzne názvy, ktoré Albert Einstein všeobecná teória relativity je obdarená.

Teória univerzálnej gravitácie, ktorá na dlhú dobu určovala pohľady fyzikálnej vedy na gravitáciu, na interakcie objektov a polí rôznych veľkostí. Paradoxne, ale jeho hlavným nedostatkom bola nehmotnosť, iluzórnosť, matematická podstata jeho podstaty. Medzi hviezdami a planétami bola prázdnota, príťažlivosť medzi nebeskými telesami bola vysvetlená pôsobením určitých síl na veľké vzdialenosti, a to okamžitých. Všeobecná teória relativity Alberta Einsteina naplnila gravitáciu fyzikálnym obsahom, prezentovala ju ako priamy kontakt rôznych hmotných objektov.

Geometria gravitácie

Hlavná myšlienka, s ktorou Einstein vysvetlil gravitačné interakcie, je veľmi jednoduchá. Fyzikálne vyjadrenie gravitačných síl vyhlasuje za časopriestor obdarený celkom hmatateľnými znakmi – metrikami a deformáciami, ktoré sú ovplyvnené hmotou objektu, okolo ktorého sa takéto zakrivenia vytvárajú. Svojho času sa dokonca Einsteinovi pripisovali výzvy, aby sa do teórie vesmíru vrátil koncept éteru, ako elastického hmotného média, ktoré vypĺňa priestor. Vysvetlil tiež, že je pre neho ťažké nazvať látku, ktorá má mnoho vlastností, ktoré možno označiť ako vákuum.

Gravitácia je teda prejavom geometrických vlastností štvorrozmerného časopriestoru, ktorý bol v SRT označený ako nezakrivený, no vo všeobecnejších prípadoch je obdarený zakrivením, ktoré určuje pohyb hmotných objektov, ktorým je daný rovnaké zrýchlenie v súlade s princípom ekvivalencie deklarovaným Einsteinom.

Tento základný princíp teórie relativity vysvetľuje mnohé z „úzkych miest“ Newtonovej teórie univerzálnej gravitácie: zakrivenie svetla pozorované pri prechode okolo masívnych vesmírnych objektov počas niektorých astronomických javov a, ako si všimli starí ľudia, rovnaké zrýchlenie pád telies bez ohľadu na ich hmotnosť.

Modelovanie zakrivenia priestoru

Bežným príkladom, ktorý vysvetľuje všeobecnú teóriu relativity pre figuríny, je znázornenie časopriestoru vo forme trampolíny - elastickej tenkej membrány, na ktorej sú rozložené predmety (najčastejšie loptičky), napodobňujúce interagujúce predmety. Ťažké gule ohýbajú membránu a vytvárajú okolo nich lievik. Menšia guľa vypustená na hladinu sa pohybuje úplne v súlade so zákonmi gravitácie a postupne sa kotúľa do priehlbín tvorených masívnejšími predmetmi.

Ale tento príklad je skôr svojvoľný. Reálny časopriestor je multidimenzionálny, jeho zakrivenie tiež nevyzerá tak elementárne, no princíp vzniku gravitačnej interakcie a podstata teórie relativity sa objasňujú. V každom prípade hypotéza, ktorá by logickejšie a súvislejšie vysvetľovala teóriu gravitácie, zatiaľ neexistuje.

Dôkazy pravdy

Všeobecná teória relativity sa rýchlo začala považovať za silný základ, na ktorom je možné postaviť modernú fyziku. Teória relativity od samého začiatku zasiahla svojou harmóniou a harmóniou, a to nielen špecialistov, a čoskoro potom jej vzhľad začali potvrdzovať pozorovania.

Najbližší bod k Slnku – perihélium – obežnej dráhy Merkúra sa postupne posúva voči dráham iných planét slnečnej sústavy, čo bolo objavené ešte v polovici 19. storočia. Takýto pohyb – precesia – nenašiel rozumné vysvetlenie v rámci Newtonovej teórie univerzálnej gravitácie, ale bol presne vypočítaný na základe všeobecnej teórie relativity.

Zatmenie Slnka, ku ktorému došlo v roku 1919, poskytlo príležitosť na ďalší dôkaz všeobecnej relativity. Arthur Eddington, ktorý sa žartom nazval druhou osobou z troch, ktorá rozumie základom teórie relativity, potvrdil Einsteinom predpovedané odchýlky pri prechode fotónov svetla blízko hviezdy: v čase zatmenia došlo k posunu v zjavná poloha niektorých hviezd sa stala nápadnou.

Experiment na detekciu spomalenia hodín alebo gravitačného červeného posunu navrhol sám Einstein, okrem iných dôkazov všeobecnej relativity. Až po mnohých rokoch bolo možné pripraviť potrebné experimentálne vybavenie a uskutočniť tento experiment. Ukázalo sa, že gravitačný frekvenčný posun žiarenia z vysielača a prijímača, vzdialených od seba vo výške, je v medziach predpovedaných všeobecnou teóriou relativity a harvardskí fyzici Robert Pound a Glen Rebka, ktorí tento experiment vykonali, ďalej len zvýšili presnosť merania. merania a vzorec teórie relativity sa opäť ukázal ako správny.

Einsteinova teória relativity je vždy prítomná v zdôvodnení najvýznamnejších projektov prieskumu vesmíru. Stručne možno povedať, že sa stal inžinierskym nástrojom pre špecialistov, najmä tých, ktorí sú zapojení do satelitných navigačných systémov - GPS, GLONASS atď. Je nemožné vypočítať súradnice objektu s požadovanou presnosťou, dokonca ani na relatívne malom priestore, bez zohľadnenia spomalenia signálov predpovedaných všeobecnou teóriou relativity. Najmä ak hovoríme o objektoch vzdialených od seba kozmickými vzdialenosťami, kde môže byť chyba v navigácii obrovská.

Tvorca teórie relativity

Albert Einstein bol ešte mladý muž, keď zverejnil základy teórie relativity. Následne mu vyšli najavo jeho nedostatky a nezrovnalosti. Hlavným problémom GR bola najmä nemožnosť prerásť do kvantovej mechaniky, keďže popis gravitačných interakcií využíva princípy, ktoré sa od seba radikálne líšia. V kvantovej mechanike sa uvažuje o interakcii objektov v jedinom časopriestore a podľa Einsteina tento priestor sám o sebe tvorí gravitáciu.

Napísať „vzorec všetkého, čo existuje“ – jednotnú teóriu poľa, ktorá by odstránila rozpory všeobecnej relativity a kvantovej fyziky, bolo Einsteinovým cieľom dlhé roky, na tejto teórii pracoval do poslednej hodiny, no úspech nedosiahol. Problémy všeobecnej teórie relativity sa stali pre mnohých teoretikov podnetom pri hľadaní dokonalejších modelov sveta. Takto sa objavili teórie strún, slučková kvantová gravitácia a mnohé ďalšie.

Osobnosť autora všeobecnej teórie relativity zanechala v dejinách stopu porovnateľnú s významom pre vedu samotnej teórie relativity. Zatiaľ nezostáva ľahostajná. Sám Einstein sa čudoval, prečo jemu a jeho dielu venujú toľko pozornosti ľudia, ktorí s fyzikou nemajú nič spoločné. Einstein sa vďaka svojim osobným vlastnostiam, povestnému vtipu, aktívnemu politickému postaveniu a dokonca výraznému vystupovaniu stal najslávnejším fyzikom na Zemi, hrdinom mnohých kníh, filmov a počítačových hier.

Koniec jeho života popisujú mnohí dramaticky: bol osamelý, považoval sa za zodpovedného za objavenie sa najstrašnejšej zbrane, ktorá sa stala hrozbou pre celý život na planéte, jeho jednotná teória poľa zostala nereálnym snom, ale Einsteinove slová, vyslovil krátko pred smrťou, možno považovať za najlepší výsledok.že splnil svoju úlohu na Zemi. S týmto je ťažké polemizovať.

Všeobecná teória relativity(GR) je geometrická teória gravitácie publikovaná Albertom Einsteinom v rokoch 1915-1916. V rámci tejto teórie, ktorá je ďalším vývojom špeciálnej teórie relativity, sa predpokladá, že gravitačné účinky nie sú spôsobené silovou interakciou telies a polí nachádzajúcich sa v časopriestore, ale deformáciou časopriestoru. čo je spojené najmä s prítomnosťou hmoty-energie. Vo všeobecnej teórii relativity, podobne ako v iných metrických teóriách, teda gravitácia nie je interakciou síl. Všeobecná relativita sa líši od iných metrických teórií gravitácie tým, že používa Einsteinove rovnice na spojenie zakrivenia časopriestoru s hmotou prítomnou vo vesmíre.

Všeobecná relativita je v súčasnosti najúspešnejšou gravitačnou teóriou, ktorú dobre podporujú pozorovania. Prvým úspechom všeobecnej teórie relativity bolo vysvetlenie anomálnej precesie perihélia Merkúra. Potom v roku 1919 Arthur Eddington oznámil pozorovanie vychýlenia svetla v blízkosti Slnka počas úplného zatmenia, čo potvrdilo predpovede všeobecnej teórie relativity.

Odvtedy mnohé ďalšie pozorovania a experimenty potvrdili značné množstvo predpovedí teórie, vrátane gravitačnej dilatácie času, gravitačného červeného posuvu, oneskorenia signálu v gravitačnom poli a zatiaľ len nepriamo gravitačného žiarenia. Okrem toho sa početné pozorovania interpretujú ako potvrdenie jednej z najzáhadnejších a najexotickejších predpovedí všeobecnej teórie relativity – existencie čiernych dier.

Napriek obrovskému úspechu všeobecnej teórie relativity existuje vo vedeckej komunite nepohodlie, že ju nemožno preformulovať ako klasickú hranicu kvantovej teórie kvôli objaveniu sa neodstrániteľných matematických divergencií pri zvažovaní čiernych dier a singularít v časopriestore vo všeobecnosti. Na riešenie tohto problému bolo navrhnutých niekoľko alternatívnych teórií. Súčasné experimentálne dôkazy naznačujú, že akýkoľvek typ odchýlky od všeobecnej teórie relativity by mal byť veľmi malý, ak vôbec existuje.

Základné princípy všeobecnej teórie relativity

Newtonova teória gravitácie je založená na koncepte gravitácie, čo je sila na veľké vzdialenosti: pôsobí okamžite na akúkoľvek vzdialenosť. Tento okamžitý charakter akcie je nezlučiteľný s paradigmou poľa modernej fyziky a najmä so špeciálnou teóriou relativity, ktorú v roku 1905 vytvoril Einstein, inšpirovanú prácou Poincarého a Lorentza. Podľa Einsteinovej teórie žiadna informácia nemôže cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla vo vákuu.

Matematicky je Newtonova gravitačná sila odvodená od potenciálnej energie telesa v gravitačnom poli. Gravitačný potenciál zodpovedajúci tejto potenciálnej energii sa riadi Poissonovou rovnicou, ktorá nie je invariantná pri Lorentzových transformáciách. Dôvodom neinvariantnosti je, že energia v špeciálnej teórii relativity nie je skalárna veličina, ale ide do časovej zložky 4-vektora. Ukazuje sa, že vektorová teória gravitácie je podobná Maxwellovej teórii elektromagnetického poľa a vedie k negatívnej energii gravitačných vĺn, čo súvisí s povahou interakcie: podobné náboje (hmotnosti) v gravitácii sa priťahujú a nie odpudzujú. v elektromagnetizme. Newtonova teória gravitácie je teda nezlučiteľná so základným princípom špeciálnej teórie relativity - invariantnosť zákonov prírody v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave a priama vektorová generalizácia Newtonovej teórie, ktorú prvýkrát navrhol Poincaré v roku 1905 vo svojom diele. práca „O dynamike elektrónu“, vedie k fyzicky neuspokojivým výsledkom.

Einstein začal hľadať teóriu gravitácie, ktorá by bola kompatibilná s princípom nemennosti prírodných zákonov vzhľadom na akýkoľvek referenčný rámec. Výsledkom tohto hľadania bola všeobecná teória relativity, založená na princípe identity gravitačnej a zotrvačnej hmoty.

Princíp rovnosti gravitačnej a zotrvačnej hmotnosti

V klasickej newtonovskej mechanike existujú dva koncepty hmotnosti: prvý sa vzťahuje na druhý Newtonov zákon a druhý na zákon univerzálnej gravitácie. Prvá hmotnosť - zotrvačná (alebo zotrvačná) - je pomer negravitačnej sily pôsobiacej na teleso a jeho zrýchlenia. Druhá hmotnosť - gravitačná (alebo, ako sa niekedy nazýva, ťažká) - určuje silu príťažlivosti tela inými telesami a jeho vlastnú silu príťažlivosti. Všeobecne povedané, tieto dve hmotnosti sa merajú, ako je zrejmé z popisu, v rôznych experimentoch, takže nemusia byť navzájom úmerné. Ich prísna proporcionalita nám umožňuje hovoriť o jednej telesnej hmotnosti v negravitačných aj gravitačných interakciách. Vhodnou voľbou jednotiek je možné tieto hmotnosti navzájom vyrovnať. Samotný princíp predložil Isaac Newton a rovnosť hmotností overil experimentálne s relatívnou presnosťou 10?3. Koncom 19. storočia Eötvös uskutočnil jemnejšie experimenty, čím presnosť overenia princípu posunul na 10?9. V priebehu 20. storočia experimentálne techniky umožnili potvrdiť rovnosť hmotností s relatívnou presnosťou 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke atď.). Niekedy sa princíp rovnosti gravitačných a zotrvačných hmotností nazýva slabý princíp ekvivalencie. Albert Einstein to položil na základ všeobecnej teórie relativity.

Princíp pohybu pozdĺž geodetických línií

Ak sa gravitačná hmotnosť presne rovná zotrvačnej hmotnosti, tak vo výraze pre zrýchlenie telesa, na ktoré pôsobia iba gravitačné sily, sa obe hmotnosti zmenšujú. Zrýchlenie tela, a teda jeho trajektória, preto nezávisí od hmotnosti a vnútornej štruktúry tela. Ak všetky telesá v rovnakom bode v priestore dostanú rovnaké zrýchlenie, potom toto zrýchlenie môže byť spojené nie s vlastnosťami telies, ale s vlastnosťami samotného priestoru v tomto bode.

Opis gravitačnej interakcie medzi telesami teda možno zredukovať na opis časopriestoru, v ktorom sa telesá pohybujú. Je prirodzené predpokladať, ako to urobil Einstein, že telesá sa pohybujú zotrvačnosťou, teda takým spôsobom, že ich zrýchlenie v ich vlastnej referenčnej sústave je nulové. Dráhy telies potom budú geodetické čiary, ktorých teóriu vypracovali matematici ešte v 19. storočí.

Samotné geodetické čiary možno nájsť zadaním analógie vzdialenosti medzi dvoma udalosťami v časopriestore, ktorá sa tradične nazýva interval alebo funkcia sveta. Interval v trojrozmernom priestore a jednorozmernom čase (inými slovami v štvorrozmernom časopriestore) je daný 10 nezávislými komponentmi metrického tenzora. Týchto 10 čísel tvorí priestorovú metriku. Definuje „vzdialenosť“ medzi dvoma nekonečne blízkymi bodmi časopriestoru v rôznych smeroch. Geodetické čiary zodpovedajúce svetovým čiaram fyzických telies, ktorých rýchlosť je menšia ako rýchlosť svetla, sa ukazujú ako čiary najväčšieho správneho času, to znamená času meraného hodinami pevne pripevnenými k telu, ktoré sledujú túto trajektóriu. Moderné experimenty potvrdzujú pohyb telies po geodetických líniách s rovnakou presnosťou ako je rovnosť gravitačných a zotrvačných hmôt.

Zakrivenie časopriestoru

Ak sú dve telesá vypustené z dvoch blízkych bodov navzájom rovnobežných, potom sa v gravitačnom poli postupne buď priblížia, alebo sa od seba vzdialia. Tento efekt sa nazýva odchýlka geodetických čiar. Podobný efekt možno pozorovať priamo, ak sa dve loptičky vypustia paralelne vedľa seba cez gumenú membránu, na ktorej je v strede umiestnený masívny predmet. Guľôčky sa rozptýlia: tá, ktorá bola bližšie k objektu pretláčajúcemu sa cez membránu, bude smerovať do stredu silnejšie ako vzdialenejšia gulička. Tento nesúlad (odchýlka) je spôsobený zakrivením membrány. Podobne v časopriestore je odchýlka geodézie (rozchádzanie trajektórií telies) spojená s jej zakrivením. Zakrivenie časopriestoru je jednoznačne určené jeho metrikou – metrickým tenzorom. Rozdiel medzi všeobecnou teóriou relativity a alternatívnymi teóriami gravitácie je určený vo väčšine prípadov práve v spôsobe spojenia hmoty (telesá a polia negravitačného charakteru, ktoré vytvárajú gravitačné pole) a metrických vlastností časopriestoru. .

Časopriestorový GR a princíp silnej ekvivalencie

Často sa nesprávne domnieva, že základom všeobecnej teórie relativity je princíp ekvivalencie gravitačného a inerciálneho poľa, ktorý možno formulovať takto:
Dostatočne malý lokálny fyzikálny systém nachádzajúci sa v gravitačnom poli je svojím správaním na nerozoznanie od rovnakého systému umiestneného v zrýchlenej (vzhľadom na inerciálnu referenčnú sústavu) referenčnej sústave, ponorenej do plochého časopriestoru špeciálnej teórie relativity.

Niekedy sa rovnaký princíp postuluje ako „lokálna platnosť špeciálnej teórie relativity“ alebo sa nazýva „princíp silnej ekvivalencie“.

Historicky tento princíp skutočne zohral veľkú úlohu vo vývoji všeobecnej teórie relativity a pri jej vývoji ho použil aj Einstein. V najaktuálnejšej podobe teórie však v skutočnosti nie je obsiahnutá, pretože časopriestor v zrýchlenom aj v počiatočnom vzťažnom rámci v špeciálnej teórii relativity je nezakrivený - plochý a vo všeobecnom teória relativity je zakrivený ktorýmkoľvek telesom a práve jeho zakrivenie spôsobuje gravitačnú príťažlivosť telies.

Je dôležité poznamenať, že hlavným rozdielom medzi časopriestorom všeobecnej teórie relativity a časopriestorom špeciálnej teórie relativity je jeho zakrivenie, ktoré je vyjadrené tenzorovou veličinou – tenzorom zakrivenia. V časopriestore špeciálnej relativity je tento tenzor identicky rovný nule a časopriestor je plochý.

Z tohto dôvodu názov „všeobecná relativita“ nie je úplne správny. Táto teória je len jednou z mnohých teórií gravitácie, o ktorých fyzici v súčasnosti uvažujú, zatiaľ čo špeciálna teória relativity (presnejšie jej princíp časopriestorovej metriky) je všeobecne akceptovaná vedeckou komunitou a tvorí základný kameň modernej fyziky. Treba však poznamenať, že žiadna z ďalších rozvinutých teórií gravitácie, okrem všeobecnej teórie relativity, neobstála v skúške času a experimentu.

Hlavné dôsledky všeobecnej teórie relativity

Podľa princípu korešpondencie sa v slabých gravitačných poliach predpovede všeobecnej relativity zhodujú s výsledkami aplikácie Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie s malými korekciami, ktoré sa zvyšujú so zvyšujúcou sa intenzitou poľa.

Prvými predpovedanými a overenými experimentálnymi dôsledkami všeobecnej teórie relativity boli tri klasické efekty, uvedené nižšie v chronologickom poradí ich prvého overenia:
1. Dodatočný posun perihélia orbity Merkúra v porovnaní s predpoveďami newtonovskej mechaniky.
2. Odchýlka svetelného lúča v gravitačnom poli Slnka.
3. Gravitačný červený posun alebo dilatácia času v gravitačnom poli.

Existuje množstvo ďalších účinkov, ktoré možno experimentálne overiť. Spomedzi nich môžeme spomenúť odchýlku a oneskorenie (Shapiro efekt) elektromagnetických vĺn v gravitačnom poli Slnka a Jupitera, Lense-Thirringov efekt (precesia gyroskopu v blízkosti rotujúceho telesa), astrofyzikálne dôkazy o existencii čiernej farby. diery, dôkazy o vyžarovaní gravitačných vĺn blízkymi sústavami dvojhviezd a rozpínavosti Vesmíru.

Doteraz neboli nájdené spoľahlivé experimentálne dôkazy vyvracajúce všeobecnú teóriu relativity. Odchýlky nameraných hodnôt účinkov od tých, ktoré predpovedá všeobecná teória relativity, nepresahujú 0,1 % (pre vyššie uvedené tri klasické javy). Napriek tomu teoretici z rôznych dôvodov vyvinuli najmenej 30 alternatívnych teórií gravitácie a niektoré z nich umožňujú získať výsledky ľubovoľne blízke všeobecnej teórii relativity pre zodpovedajúce hodnoty parametrov zahrnutých v teórii.

100 r bonus za prvú objednávku

Vyberte si typ práce Diplomová práca Semestrálna práca Abstrakt Diplomová práca Správa z praxe Článok Správa Recenzia Testová práca Monografia Riešenie problémov Podnikateľský plán Odpovede na otázky Kreatívna práca Esej Kresba Skladby Preklad Prezentácie Písanie Iné Zvýšenie jedinečnosti textu Kandidátska práca Laboratórna práca Pomoc na- riadok

Opýtajte sa na cenu

Špeciálna teória relativity bola vyvinutá na začiatku 20. storočia úsilím G. A. Lorentza, A. Poincarého a A. Einsteina.

Einsteinove postuláty

SRT je úplne odvodená na fyzickej úrovni prísnosti z dvoch postulátov (predpokladov):

Platí Einsteinov princíp relativity, rozšírenie Galileovho princípu relativity.

Rýchlosť svetla nezávisí od rýchlosti zdroja vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách.

Experimentálne overovanie postulátov SRT je do určitej miery sťažené problémami filozofického charakteru: možnosťou zápisu rovníc akejkoľvek teórie v invariantnej forme, bez ohľadu na jej fyzikálny obsah, a zložitosťou interpretácie pojmov „dĺžka“. , "čas" a "inerciálna referenčná sústava" v podmienkach relativistických efektov.

Esencia SRT

Dôsledkom postulátov SRT sú Lorentzove transformácie, ktoré nahrádzajú Galileove transformácie pre nerelativistický, „klasický“ pohyb. Tieto transformácie spájajú súradnice a časy rovnakých udalostí pozorovaných z rôznych inerciálnych referenčných sústav.

Práve oni popisujú také slávne efekty ako spomalenie plynutia času a skrátenie dĺžky rýchlo sa pohybujúcich telies, existenciu limitnej rýchlosti telesa (čo je rýchlosť svetla), relativitu konceptu simultánnosti. (dve udalosti sa vyskytujú súčasne podľa hodín v jednej referenčnej sústave, ale v rôznych časových bodoch podľa hodín v inej referenčnej sústave).

Špeciálna teória relativity získala množstvo experimentálnych potvrdení a je nepochybne správnou teóriou vo svojej oblasti použiteľnosti. Špeciálna teória relativity prestáva fungovať v meradle celého Vesmíru, ako aj v prípadoch silných gravitačných polí, kde ju nahrádza všeobecnejšia teória – všeobecná teória relativity. Špeciálna teória relativity je použiteľná aj v mikrokozme, jej syntézou s kvantovou mechanikou je kvantová teória poľa.

Komentáre

Rovnako ako v prípade kvantovej mechaniky, mnohé predpovede teórie relativity sú kontraintuitívne, zdajú sa neuveriteľné a nemožné. To však neznamená, že teória relativity je nesprávna. V skutočnosti to, ako vidíme (alebo chceme vidieť) svet okolo nás a aký v skutočnosti je, môže byť veľmi odlišné. Už viac ako storočie sa vedci z celého sveta snažia vyvrátiť SRT. Žiadny z týchto pokusov nemohol nájsť najmenšiu chybu v teórii. O tom, že teória je matematicky správna, svedčí prísna matematická forma a prehľadnosť všetkých formulácií. O tom, že SRT skutočne opisuje náš svet, svedčí obrovská experimentálna skúsenosť. Mnohé dôsledky tejto teórie sa využívajú v praxi. Je zrejmé, že všetky pokusy „vyvrátiť SRT“ sú odsúdené na neúspech, pretože samotná teória je založená na troch Galileových postulátoch (ktoré sú trochu rozšírené), na základe ktorých je postavená newtonovská mechanika, ako aj na dodatočnom postuláte tzv. stálosť rýchlosti svetla vo všetkých referenčných sústavách. Všetky štyri nevyvolávajú žiadne pochybnosti v rámci maximálnej presnosti moderných meraní: lepšia ako 10 - 12 av niektorých aspektoch - až 10 - 15. Navyše presnosť ich overenia je taká vysoká, že stálosť rýchlosti svetla je základom definície metra - jednotiek dĺžky, v dôsledku čoho sa rýchlosť svetla automaticky stáva konštantnou, ak sa merania vykonávajú v súlade s metrologickými požiadavkami.

SRT popisuje negravitačné fyzikálne javy s veľmi vysokou presnosťou. To však nevylučuje možnosť jeho objasnenia a doplnenia. Napríklad všeobecná teória relativity je zdokonalením SRT, ktoré berie do úvahy gravitačné javy. Vývoj kvantovej teórie stále pokračuje a mnohí fyzici veria, že budúca úplná teória odpovie na všetky otázky, ktoré majú fyzikálny význam, a poskytne SRT v kombinácii s kvantovou teóriou poľa a všeobecnou teóriou relativity v rámci limitov. S najväčšou pravdepodobnosťou čaká SRT rovnaký osud ako Newtonovu mechaniku – hranice jej použiteľnosti budú presne načrtnuté. Takáto maximálne všeobecná teória je zároveň stále veľmi vzdialenou perspektívou a nie všetci vedci veria, že jej konštrukcia je vôbec možná.

Všeobecná teória relativity

Všeobecná relativita je v súčasnosti (2007) najúspešnejšou gravitačnou teóriou, dobre potvrdenou pozorovaniami. Prvým úspechom všeobecnej teórie relativity bolo vysvetlenie anomálnej precesie perihélia Merkúra. Potom, v roku 1919, Arthur Eddington oznámil pozorovanie odklonu svetla v blízkosti Slnka počas úplného zatmenia, čo potvrdilo predpovede všeobecnej teórie relativity. Okrem toho sa mnohé pozorovania interpretujú ako potvrdenie jednej z najzáhadnejších a najexotickejších predpovedí všeobecnej teórie relativity - existenciu čiernych dier.

Princíp rovnosti gravitačnej a zotrvačnej hmotnosti

V klasickej newtonovskej mechanike existujú dva koncepty hmotnosti: prvý sa vzťahuje na druhý Newtonov zákon a druhý na zákon univerzálnej gravitácie. Prvá hmotnosť - inerciálna (alebo inerciálna) - je pomer negravitačné sila pôsobiaca na telo, aby ho urýchlila. Druhá hmotnosť je gravitačná (alebo, ako sa niekedy nazýva, ťažký) - určuje silu príťažlivosti tela inými telesami a vlastnú silu príťažlivosti. Všeobecne povedané, tieto dve hmotnosti sa merajú, ako je zrejmé z popisu, v rôznych experimentoch, takže nemusia byť navzájom úmerné. Ich prísna proporcionalita nám umožňuje hovoriť o jednej telesnej hmotnosti v negravitačných aj gravitačných interakciách. Vhodnou voľbou jednotiek je možné tieto hmotnosti navzájom vyrovnať.

Princíp pohybu pozdĺž geodetických línií

Moderné experimenty potvrdzujú pohyb telies po geodetických líniách s rovnakou presnosťou ako je rovnosť gravitačných a zotrvačných hmôt.

Zakrivenie časopriestoru

Hlavné dôsledky všeobecnej teórie relativity

Prvými predpovedanými a overenými experimentálnymi dôsledkami všeobecnej teórie relativity boli tri klasické efekty, uvedené nižšie v chronologickom poradí ich prvého overenia:

Ďalší posun v perihéliu orbity Merkúra v porovnaní s predpoveďami newtonovskej mechaniky.
Vychýlenie svetelného lúča v gravitačnom poli Slnka.
Gravitačný červený posun alebo dilatácia času v gravitačnom poli.

Všeobecná relativita je už aplikovaná na všetky referenčné sústavy (a nielen na tie, ktoré sa voči sebe pohybujú konštantnou rýchlosťou) a vyzerá matematicky oveľa komplikovanejšie ako špeciálna (čo vysvetľuje jedenásťročný rozdiel medzi ich zverejnením). Zahŕňa ako špeciálny prípad špeciálnu teóriu relativity (a teda Newtonove zákony). Všeobecná teória relativity zároveň ide oveľa ďalej ako všetky jej predchodkyne. Predovšetkým poskytuje nový výklad gravitácie.

Všeobecná teória relativity robí svet štvorrozmerným: čas sa pridáva k trom priestorovým dimenziám. Všetky štyri dimenzie sú neoddeliteľné, takže už nehovoríme o priestorovej vzdialenosti medzi dvoma objektmi, ako je to v trojrozmernom svete, ale o časopriestorových intervaloch medzi udalosťami, ktoré spájajú ich vzájomnú vzdialenosť - obe v čase a v priestore. To znamená, že priestor a čas sú považované za štvorrozmerné časopriestorové kontinuum alebo jednoducho časopriestor. V tomto kontinuu sa pozorovatelia pohybujúci sa voči sebe môžu dokonca nezhodnúť na tom, či sa dve udalosti stali súčasne – alebo jedna predchádzala druhej. Našťastie pre našu úbohú myseľ nedochádza k porušeniu kauzálnych vzťahov – teda existencie súradnicových systémov, v ktorých dve udalosti nenastávajú súčasne a v inom slede, ani všeobecná teória relativity nepripúšťa.

Klasická fyzika považovala gravitáciu za bežnú silu medzi mnohými prírodnými silami (elektrickými, magnetickými atď.). Gravitácii bolo predpísané „pôsobenie na veľké vzdialenosti“ (prenikanie „cez prázdnotu“) a úžasná schopnosť poskytnúť rovnaké zrýchlenie telesám rôznych hmotností.

Newtonov zákon univerzálnej gravitácie nám hovorí, že medzi akýmikoľvek dvoma telesami vo vesmíre existuje sila vzájomnej príťažlivosti. Z tohto hľadiska sa Zem točí okolo Slnka, pretože medzi nimi existujú sily vzájomnej príťažlivosti.

Všeobecná relativita nás však núti pozerať sa na tento jav inak. Podľa tejto teórie je gravitácia dôsledkom deformácie („zakrivenia“) elastickej tkaniny časopriestoru vplyvom hmoty (v tomto prípade čím ťažšie je teleso, napríklad Slnko, tým viac časopriestoru „ohýba“ sa pod ním a tým silnejšie je jeho gravitačné pole). Predstavte si pevne natiahnuté plátno (druh trampolíny), na ktorom je umiestnená masívna guľa. Plátno sa pod váhou lopty deformuje a okolo neho sa vytvorí lievikovitá priehlbina. Podľa všeobecnej teórie relativity sa Zem točí okolo Slnka ako malá gulička kotúľaná okolo kužeľa lievika, ktorý vznikol v dôsledku „prepichnutia“ časopriestoru ťažkou guľou – Slnkom. A to, čo sa nám zdá gravitačná sila, je v skutočnosti čisto vonkajším prejavom zakrivenia časopriestoru a vôbec nie silou v newtonovskom zmysle. Dodnes nebolo nájdené lepšie vysvetlenie podstaty gravitácie, ako nám dáva všeobecná teória relativity.

Najprv sa diskutuje o rovnosti zrýchlení voľného pádu pre telesá rôznych hmotností (skutočnosť, že masívny kľúč a ľahká zhoda rovnako rýchlo padajú zo stola na podlahu). Ako poznamenal Einstein, táto jedinečná vlastnosť robí gravitáciu veľmi podobnou zotrvačnosti.

V skutočnosti sa kľúč a zápalka správajú tak, ako keby sa zotrvačnosťou pohybovali v beztiažovom stave a podlaha miestnosti sa k nim pohybovala zrýchlením. Po dosiahnutí kľúča a zhody by podlaha zažila svoj vplyv a potom tlak, pretože. zotrvačnosť kľúča a zápalky by ovplyvnili ďalšie zrýchlenie podlahy.

Tento tlak (astronauti hovoria - "preťaženie") sa nazýva sila zotrvačnosti. Na telesá v zrýchlených vzťažných sústavách vždy pôsobí podobná sila.

Ak raketa letí so zrýchlením rovným zrýchleniu voľného pádu na zemský povrch (9,81 m/s), tak zotrvačná sila bude hrať úlohu váhy kľúča a zápalky. Ich „umelá“ gravitácia bude úplne rovnaká ako tá prirodzená na povrchu Zeme. To znamená, že zrýchlenie referenčnej sústavy je jav celkom podobný gravitácii.

Naopak, pri voľne padajúcom výťahu je prirodzená gravitácia eliminovaná zrýchleným pohybom referenčného systému kabíny „naháňajúcim“ kľúčik a zápalku. Samozrejme, klasická fyzika v týchto príkladoch nevidí skutočný vznik a zánik gravitácie. Gravitácia je len simulovaná alebo kompenzovaná zrýchlením. Ale vo všeobecnej teórii relativity sa podobnosť medzi zotrvačnosťou a gravitáciou považuje za oveľa hlbšiu.

Einstein predložil miestny princíp ekvivalencie zotrvačnosti a gravitácie, keď uviedol, že na dostatočne malých mierkach vzdialeností a trvania nemožno jeden jav odlíšiť od druhého žiadnym experimentom. Všeobecná relativita teda ešte hlbšie zmenila vedecké chápanie sveta. Prvý zákon newtonovskej dynamiky stratil svoju univerzálnosť – ukázalo sa, že pohyb zotrvačnosťou môže byť krivočiary a zrýchlený. Potreba konceptu ťažkej masy zmizla. Geometria Vesmíru sa zmenila: namiesto priameho euklidovského priestoru a jednotného času sa objavil zakrivený časopriestor, zakrivený svet. História vedy nikdy nepoznala takú prudkú reštrukturalizáciu názorov na fyzikálne základné princípy vesmíru.

Testovanie všeobecnej relativity je náročné, pretože za normálnych laboratórnych podmienok sú jeho výsledky takmer totožné s tými, ktoré predpovedá Newtonov zákon univerzálnej gravitácie. Napriek tomu sa uskutočnilo niekoľko dôležitých experimentov a ich výsledky nám umožňujú považovať teóriu za potvrdenú. Všeobecná relativita navyše pomáha vysvetliť javy, ktoré pozorujeme vo vesmíre, jedným z príkladov je lúč svetla prechádzajúci v blízkosti Slnka. Newtonovská mechanika aj všeobecná relativita uznávajú, že sa musí odchýliť smerom k Slnku (pád). Všeobecná relativita však predpovedá dvojnásobný posun lúča. Pozorovania počas zatmení Slnka dokázali správnosť Einsteinovej predpovede. Ďalší príklad. Planéta Merkúr najbližšie k Slnku má menšie odchýlky od stacionárnej dráhy, nevysvetliteľné z pohľadu klasickej newtonovskej mechaniky. Ale práve takáto dráha je daná výpočtom pomocou GR vzorcov. Spomalenie času v silnom gravitačnom poli vysvetľuje pokles frekvencie svetelných oscilácií v žiarení bielych trpaslíkov – hviezd veľmi vysokej hustoty. A v posledných rokoch bol tento efekt zaregistrovaný v laboratórnych podmienkach. A napokon, úloha všeobecnej relativity v modernej kozmológii, vede o štruktúre a histórii celého vesmíru, je veľmi dôležitá. Aj v tejto oblasti poznania sa našlo mnoho dôkazov Einsteinovej gravitačnej teórie. V skutočnosti sa výsledky predpovedané všeobecnou teóriou relativity výrazne líšia od výsledkov predpovedaných Newtonovými zákonmi iba v prítomnosti supersilných gravitačných polí. To znamená, že úplný test všeobecnej teórie relativity si vyžaduje buď ultra presné merania veľmi masívnych objektov, alebo čiernych dier, na ktoré sa nedá použiť žiadna z našich obvyklých intuitívnych predstáv. Takže vývoj nových experimentálnych metód na testovanie teórie relativity zostáva jednou z najdôležitejších úloh experimentálnej fyziky.

Teória relativity je fyzikálna teória, ktorá berie do úvahy časopriestorové zákonitosti, ktoré sú platné pre akékoľvek fyzikálne procesy. Najvšeobecnejšia teória časopriestoru sa nazýva všeobecná teória relativity (GR), alebo teória gravitácie. V súkromnej (alebo špeciálnej) teórii relativity (SRT) sa skúmajú vlastnosti časopriestoru, ktoré sú platné s presnosťou, s akou možno zanedbať pôsobenie gravitácie. (Fyzický encyklopedický slovník, 1995)

Čas a hmotnosť Teleso sa sťahuje pozdĺž svojej osi pohybu, keď sa blíži rýchlosti svetla

Atómový rozpad Atómová hmotnosť nových atómov a množstvo vytvorenej pohybovej energie sú ekvivalentné hmotnosti pôvodného atómu

Na konci 19. storočia sa Newtonom objavené zákony pohybu a gravitácie široko využívali na výpočty a nachádzali čoraz viac experimentálnych dôkazov. Zdalo sa, že nič nepredznamenáva revolúciu v tejto oblasti. Vec sa však už neobmedzovala len na mechaniku: v dôsledku experimentálnych aktivít mnohých vedcov v oblasti elektriny a magnetizmu sa objavili Maxwellove rovnice. Tu sa začali problémy s fyzikálnymi zákonmi. Maxwellove rovnice spájajú elektrinu, magnetizmus a svetlo. Vyplýva z nich, že rýchlosť elektromagnetických vĺn vrátane svetelných vĺn nezávisí od pohybu žiariča a vo vákuu sa rovná asi 300 tisíc km/s. To nie je v žiadnom prípade v súlade s mechanikou Newtona a Galilea. Predpokladajme, že balón letí vzhľadom na Zem rýchlosťou 100 000 km/s. Vystreľme vpred z ľahkého pištole s ľahkou guľkou, ktorej rýchlosť je 300 tisíc km/s. Potom by sa podľa vzorcov Galilea mali rýchlosti jednoducho sčítať, čo znamená, že guľka poletí vzhľadom na Zem rýchlosťou 400 tisíc km/s. Nedosiahne sa žiadna stálosť rýchlosti svetla!

Na zistenie zmeny rýchlosti svetla pri pohybe žiariča sa vynaložilo veľké úsilie, no žiadny z dômyselných experimentov nebol úspešný. Dokonca aj najpresnejší z nich, Michelsonov-Morleyho experiment, priniesol negatívny výsledok. Takže niečo nie je v poriadku s Maxwellovými rovnicami? Ale dokonale opisujú všetky elektrické a magnetické javy. A potom Henri Poincaré navrhol, že pointa stále nie je v rovniciach, ale v princípe relativity: všetky fyzikálne zákony, nielen mechanické, ako Newtonove, ale aj elektrické, musia byť rovnaké v systémoch, ktoré sa voči sebe pohybujú rovnomerne a rovnomerne. priamočiaro . V roku 1904 získal Dán Hendrik Anton Lorentz, špeciálne pre Maxwellove rovnice, nové vzorce na prepočet súradníc pohyblivého systému vzhľadom na stacionárny a naopak. To však pomohlo len čiastočne: ukázalo sa, že pre Newtonove zákony je potrebné použiť niektoré transformácie a pre Maxwellove rovnice iné. Otázka zostala otvorená.

Špeciálna teória relativity

Transformácie navrhnuté Lorentzom mali dva dôležité dôsledky. Ukázalo sa, že pri prechode z jedného systému do druhého je potrebné podrobiť transformáciám nielen súradnice, ale aj čas. A okrem toho sa zmenila veľkosť pohybujúceho sa telesa, vypočítaná podľa Lorentzových vzorcov - zmenšila sa v smere pohybu! Preto rýchlosti presahujúce rýchlosť svetla stratili všetok fyzikálny význam, keďže v tomto prípade boli telesá stlačené na nulové rozmery. Mnohí fyzici, vrátane samotného Lorentza, považovali tieto závery len za matematický incident. Až kým ho neprevzal Einstein.

Prečo je teória relativity pomenovaná po Einsteinovi, ak princíp relativity sformuloval Poincare, stálosť rýchlosti svetla odvodil Maxwell a pravidlá na transformáciu súradníc vynašiel Lorentz? V prvom rade si povedzme, že všetko, o čom sme doteraz hovorili, sa týka len takzvanej „špeciálnej teórie relativity“ (SRT). Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, Einsteinov príspevok k tejto teórii nie je v žiadnom prípade obmedzený na jednoduché zovšeobecnenie výsledkov. Najprv sa mu podarilo získať všetky rovnice založené len na dvoch postulátoch – princípe relativity a princípe stálosti rýchlosti svetla. A po druhé, pochopil, akú úpravu treba urobiť v Newtonovom zákone, aby nevypadol z nového obrazu sveta a nezmenil sa pod Lorentzovými premenami. Na to bolo potrebné kriticky spracovať dva predtým neotrasiteľné základy klasickej mechaniky - absolútnosť času a stálosť telesnej hmotnosti.

Nič absolútne

V newtonovskej mechanike bol hviezdny čas ticho stotožňovaný s absolútnym časom a v Einsteinovej teórii každá referenčná sústava zodpovedá svojmu vlastnému, „miestnemu“ času a neexistujú žiadne hodiny, ktoré by merali čas pre celý vesmír. Ale závery o relativite času nestačili na odstránenie rozporov medzi elektrodynamikou a klasickou mechanikou. Tento problém sa vyriešil pádom ďalšej klasickej bašty - stálosti hmoty. Einstein zaviedol zmeny v základnom Newtonovom zákone o úmernosti sily k zrýchleniu a zistil, že hmotnosť pri približovaní sa rýchlosti svetla donekonečna rastie. Z postulátov SRT totiž vyplýva, že rýchlosť väčšia ako rýchlosť svetla nemá žiadny fyzikálny význam, čo znamená, že žiadna sila nemôže zvýšiť rýchlosť telesa, ktoré už letí rýchlosťou svetla, teda za týchto podmienok. sila už nespôsobuje zrýchlenie! Čím väčšia je rýchlosť tela, tým je ťažšie ho zrýchliť.

A keďže koeficient úmernosti je hmotnosť (alebo zotrvačnosť), z toho vyplýva, že hmotnosť telesa rastie so zvyšujúcou sa rýchlosťou.

Je pozoruhodné, že tento záver bol urobený v čase, keď medzi výsledkami experimentov a Newtonovými zákonmi neexistovali žiadne zjavné rozpory a nezrovnalosti. Za normálnych podmienok je zmena hmotnosti nevýznamná a experimentálne sa dá zistiť len pri veľmi vysokých rýchlostiach, blízkych rýchlosti svetla. Dokonca aj pre satelit letiaci rýchlosťou 8 km/s nebude korekcia hmotnosti väčšia ako jedna dvojmiliardtina. Ale už v roku 1906 sa potvrdili závery SRT pri štúdiu elektrónov pohybujúcich sa vysokou rýchlosťou: v Kaufmanových experimentoch bola zaznamenaná zmena hmotnosti týchto častíc. A na moderných urýchľovačoch jednoducho nebude možné rozptýliť častice, ak sa výpočty uskutočnia klasickým spôsobom bez zohľadnenia špeciálnej teórie relativity.

Potom sa však ukázalo, že nestálosť hmoty nám umožňuje vyvodiť ešte zásadnejší záver. S nárastom rýchlosti sa zvyšuje hmotnosť, zvyšuje sa energia pohybu ... Nie je to to isté? Matematické výpočty potvrdili domnienku o ekvivalencii hmotnosti a energie a v roku 1907 dostal Einstein svoj slávny vzorec E = mc2. Toto je hlavný záver SRT. Hmota a energia sú jedno a to isté a navzájom sa premieňajú! A ak sa nejaké teleso (napríklad atóm uránu) náhle rozpadne na dve, ktoré majú celkovo menšiu hmotnosť, tak zvyšok hmoty prejde do energie pohybu. Sám Einstein predpokladal, že zmenu hmotnosti bude možné zaznamenať iba s obrovským uvoľnením energie, pretože koeficient c2 vo vzorci, ktorý dostal, je veľmi, veľmi veľký. Ale ani on asi nečakal, že tieto teoretické úvahy dovedú ľudstvo tak ďaleko. Vytvorenie atómovej bomby potvrdilo platnosť špeciálnej teórie relativity, len za príliš vysokú cenu.

Zdalo by sa, že nie je dôvod pochybovať o správnosti teórie. Tu je však čas pripomenúť si slová Einsteina: „Skúsenosť nikdy nepovie „áno“ teórii, ale v najlepšom prípade hovorí „možno“, väčšinou jednoducho povie „nie“. Posledný, najpresnejší experiment na testovanie jedného z postulátov SRT, stálosti rýchlosti svetla, sa uskutočnil pomerne nedávno, v roku 2001, na univerzite v Kostnici (Nemecko). Stojatá laserová vlna bola umiestnená v „škatuľke“ z ultračistého zafíru, ochladená na teplotu tekutého hélia a pol roka bola sledovaná zmena frekvencie svetla. Ak by rýchlosť svetla závisela od rýchlosti laboratória, potom by sa frekvencia tejto vlny menila pri pohybe Zeme na obežnej dráhe. Ale zatiaľ neboli zaznamenané žiadne zmeny.

Všeobecná teória relativity

V roku 1905, keď Einstein publikoval svoje slávne dielo „O elektrodynamike pohyblivých telies“, venované SRT, sa posunul ďalej. Bol presvedčený, že STO je len časť cesty. Princíp relativity musí platiť v každom referenčnom rámci, a nielen v tých, ktoré sa pohybujú rovnomerne a priamočiaro. Toto presvedčenie Einsteina nebolo len dohadom, bolo založené na experimentálnom fakte, dodržiavaní princípu ekvivalencie. Poďme si vysvetliť, čo to je. Medzi zákony pohybu patrí takzvaná „zotrvačná“ hmotnosť, ktorá ukazuje, aké ťažké je pre teleso zrýchliť, a zákony gravitácie zahŕňajú „ťažkú“ hmotnosť, ktorá určuje silu príťažlivosti medzi telesami. Princíp ekvivalencie predpokladá, že tieto hmotnosti sú si navzájom presne rovné, ale či je to skutočne tak, môže potvrdiť iba skúsenosť. Z princípu ekvivalencie vyplýva, že všetky telesá sa musia pohybovať v gravitačnom poli s rovnakým zrýchlením. Túto okolnosť si overil aj Galileo, ktorý podľa legendy hodil rôzne telá zo šikmej veže v Pise. Potom bola presnosť merania 1 %, Newton ju dotiahol na 0,1 % a podľa najnovších údajov z roku 1995 si môžeme byť istí, že princíp ekvivalencie je splnený s presnosťou 5 x 10−13.

Na základe princípu ekvivalencie a princípu relativity vytvoril Einstein po desiatich rokoch tvrdej práce svoju teóriu gravitácie alebo všeobecnú teóriu relativity (GR), ktorá dodnes neprestáva udivovať teoretikov svojimi matematickými krása. Ukázalo sa, že priestor a čas v Einsteinovej teórii gravitácie podliehajú úžasným metamorfózam. Gravitačné pole, ktoré okolo seba vytvárajú telesá s hmotnosťou, ohýba okolitý priestor. Predstavte si loptu ležiacu na trampolíne. Čím je loptička ťažšia, tým viac sa ohne sieťka trampolíny. A čas, otočený do štvrtej dimenzie, nestojí bokom: čím väčšie je gravitačné pole, tým pomalšie plynie.

Prvú potvrdenú predpoveď všeobecnej relativity urobil sám Einstein v roku 1915. Týkalo sa to pohybu Merkúra. Perihélium tejto planéty (teda bod jej najbližšieho priblíženia k Slnku) postupne mení svoju polohu. Za sto rokov pozorovaní zo Zeme bol posun 43,1 oblúkových sekúnd. Iba všeobecná teória relativity bola schopná poskytnúť úžasne presnú predpoveď tejto hodnoty - 43 oblúkových sekúnd. Ďalším krokom bolo pozorovanie odklonu svetelných lúčov v gravitačnom poli Slnka počas úplného zatmenia Slnka v roku 1919. Odvtedy sa uskutočnilo veľa takýchto experimentov a všetky potvrdzujú všeobecnú teóriu relativity - napriek tomu, že presnosť sa neustále zvyšuje. Napríklad v roku 1984 to bolo 0,3 % a v roku 1995 už menej ako 0,1 %.

S príchodom atómových hodín prišiel aj samotný čas. Stačí položiť jedny hodiny na vrchol hory, druhé na jej úpätie - a časom môžete zachytiť rozdiel! A s príchodom globálnych satelitných systémov na určovanie polohy sa teória relativity konečne presunula z kategórie vedeckej zábavy do čisto praktickej oblasti. GPS satelity napríklad lietajú vo výške okolo 20 000 km rýchlosťou okolo 4 km/s. Keďže sú dosť ďaleko od Zeme, hodiny na nich sa podľa všeobecnej relativity posúvajú asi o 45 mikrosekúnd (µs) za deň, ale keďže letia vysokou rýchlosťou, kvôli STR, tie isté hodiny zaostávajú asi o 7 µs denne. Ak tieto úpravy nebudú brané do úvahy, celý systém sa v priebehu niekoľkých dní stane zbytočným! Pred vyslaním na obežnú dráhu sa atómové hodiny na satelitoch upravia tak, aby šli pomalšie asi o 38 mikrosekúnd za deň. A fakt, že po takejto úprave môj jednoduchý GPS prijímač každý deň správne ukazuje moje súradnice na rozľahlom zemskom povrchu, vážne posilňuje moju dôveru v teóriu relativity.

Všetky tieto úspechy len roznecujú lovcov pre relativitu. Dnes má každá univerzita, ktorá si váži seba, laboratórium na hľadanie gravitačných vĺn, ktoré by sa podľa Einsteinovej teórie gravitácie mali šíriť rýchlosťou svetla. Zatiaľ sa ich nepodarilo nájsť. Ďalším kameňom úrazu je prepojenie medzi všeobecnou teóriou relativity a kvantovou mechanikou. Obaja dokonale súhlasia s experimentom, ale sú navzájom úplne nekompatibilné. Nepripomína to trochu klasickú mechaniku a elektromagnetizmus z konca 19. storočia? Možno sa oplatí počkať na zmenu.